用于電動(dòng)汽車的功率半導(dǎo)體模塊設(shè)計(jì)

　　成本、可靠性和電子性能及熱性能都會(huì)受到封裝的直接影響。但是封裝的另外一個(gè)特性也變得越來越重要——即結(jié)構(gòu)因數(shù)。由于OEM推動(dòng)了功率、效率、可升級(jí)性和可靠性要求的提升，因此，成本、重量、尺寸和電感都被要求降低。功率電子集成到電機(jī)和制冷設(shè)備中的能力日益提高，這帶來了很大的價(jià)值。傳統(tǒng)的電源模塊通常只能為緊湊型機(jī)電一體化提供非常有限的范圍，而且確實(shí)，如果選擇了這種解決方案，定制化電源模塊將會(huì)很快就變得更昂貴，也更加的死板。在這樣的功率水平下，我們認(rèn)為分立式元件難于應(yīng)用，或者真正可用的解決方案根本不能夠處理足夠的功率。最初被棄用的“分立式”方法現(xiàn)在要被主逆變器重新訪問，因?yàn)樾枰娮釉蜋C(jī)機(jī)械元件更加緊湊的集成。

　　目前，在量產(chǎn)中的一種解決方案是采用超級(jí)TO-247封裝。搭載一個(gè)120A IGBT和二極管的AUIRGPS4067D1器件同時(shí)還允許可升級(jí)的解決方案，典型地，用來滿足30至80kW范圍主逆變器。與傳統(tǒng)TO-247封裝(如圖3所示)相比，專利型超級(jí)TO-247封裝具有一些獨(dú)有的特性：首先是采用一個(gè)夾子將部件附著在散熱器上，除去了傳統(tǒng)TO-247封裝上出現(xiàn)的螺絲孔，將封裝內(nèi)部的空間最大化，以容納最大可能的芯片。為了與芯片的大電流處理性能相配置，特有的切角引線實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)TO-247封裝高出30%的橫截面積，從而提高了他們的電流處理性能，并且使得器件運(yùn)行溫度更低，有更少的寄生電感。切角橫截面同樣可以使器件能安裝到標(biāo)準(zhǔn)TO-247封裝里。封裝上，引腳之間的溝槽增加了爬電距離。最終，符合AEC-Q101的部件要經(jīng)受苛刻的最后測(cè)試程序，它包括了正方形RBSOA和100%箝位電感負(fù)載測(cè)試。

　　圖3：專利型超級(jí)TO-247封裝的優(yōu)勢(shì)

　　簡(jiǎn)化廠商成本和柵極驅(qū)動(dòng)要求的努力不斷推進(jìn)，客戶希望在其應(yīng)用中降低并聯(lián)的IGBT和二極管的數(shù)量，因此要求大面積芯片的解決方案。由于最新的IGBT和二極管技術(shù)是基于超薄芯片技術(shù)，當(dāng)你從超級(jí)TO-247這樣的傳統(tǒng)分立式封裝中搬出，構(gòu)建、處理基至是測(cè)試這樣的半導(dǎo)體元件就會(huì)充滿挑戰(zhàn)?；谶@種原因，可以容納大的IGBT和二極管芯片的分立式封裝價(jià)值巨大，它們都完全經(jīng)過測(cè)試并且易于安裝。CooliRDIE就是正在開發(fā)的解決方案這一。DBC封裝的殼內(nèi)包括一個(gè)680V，300A IGBT和一個(gè)二極管對(duì)，每個(gè)芯片都具有可焊接前端金屬表面處理。圖4給出CooliRDIE封裝理念的概覽。

　　圖4：CooliRDIE封裝

　　整個(gè)無鉛CooliRDIE都是完全的動(dòng)態(tài)供應(yīng)并經(jīng)過靜態(tài)測(cè)試，達(dá)到其卷帶封裝上的額定電流。這就使得客戶能夠采用一處標(biāo)準(zhǔn)的選擇并將機(jī)器安置到已經(jīng)準(zhǔn)備好的帶焊盤準(zhǔn)的基座上，處理300A的超薄IGBT和二極管產(chǎn)品。這一部件回流到基底，取代了與大功率模塊相關(guān)的線步驟。省去引線鍵合，提高了可靠性和良率，并且降低了成本、寄生電阻和電感。這些器件可采用兩種版本(正裝和倒裝芯片)，可以在一個(gè)單獨(dú)的基底上形成非常緊湊的半橋布局，無需復(fù)雜的布局模式(如圖5所示)。

　　圖5：采用CooliRDIE的緊湊型半橋構(gòu)建

　　事實(shí)上，封裝兩端上的電子連接甚至還可以允許封裝用作總線，可以使用一些能夠快速升級(jí)的創(chuàng)新型的逆變器布局，如圖6所示。

　　圖6：采用CooliRDIE的可升級(jí)逆變器設(shè)計(jì)

　　將可焊接前端金屬增加到硅片上，意味著芯片可以在兩面進(jìn)行焊接，因此去除了對(duì)于焊線的需求。這同樣還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，釋放出了傳統(tǒng)用于焊線的芯片頂部空間——而現(xiàn)在這種空間可用于冷卻。通過從兩面對(duì)部件進(jìn)行制冷的性能，可以將電流處理性能提升50%—或者確實(shí)降低相似工作點(diǎn)上的芯片尺寸，并進(jìn)而降低成本。如果無需雙面制冷，那么僅僅的增加一個(gè)頂端的散熱量就可以證明其在提高組裝的散熱性能方面非常有效，進(jìn)而可以幫助提升短時(shí)間峰值電流能力。